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Die
Erfindung betrifft einen Netzknoten mit einer Datenübertragungseinheit,
die für
die Umsetzung eines Datenübertragungsprotokolls
zum Zweck der Datenübertragung
des Netzknotens an andere Netzknoten über ein Datenübertragungsmedium
bereitgestellt wird, und mit einem Busmonitor.
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Datenübertragungssysteme
mit mehreren Netzknoten werden häufig
zeitgesteuert konstruiert. In Systemen dieser Art wird für den Austausch
von Nachrichten zwischen verschiedenen Netzknoten in jedem Fall
ein einzeln, exklusiv zugewiesenes Zeitfenster bereitgestellt. Als
Folge ist der kollisionsfreie Austausch von Nachrichten in fehlerfreiem
Betrieb gewährleistet.
Dieses Verfahren ist allgemein als TDMA-(Time Division Multiple
Access)Verfahren bekannt. Eine Konfiguration dieser Art wird häufig für den Austausch
von Nachrichten in sicherheitsrelevanten Anwendungen bereitgestellt,
zum Beispiel in Kraftfahrzeugen.
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Durch
eine entsprechende Konfiguration des Busmonitors kann Letzterer
gemäß dem Zugriffszeitplan
Zeitfenster bestimmen, in denen eine Übertragung unter Einbeziehung
des jeweiligen Netzknotens erlaubt ist. In der übrigen Zeit ist der Netzknoten
auf der Übertragungsseite
blockiert. Dadurch kann verhindert werden, dass ein fehlerhaft arbeitender
Netzknoten zu Zeiten überträgt, zu denen
ihm kein Übertragungszeitfenster
zugewiesen ist, d. h. zu denen er nicht hätte übertragen sollen.
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Dadurch
ist es möglich
zu verhindern, dass ein fehlerhaft übertragender Netzknoten dieser
Art ein Netz blockiert.
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In
manchen Anwendungen besteht jedoch ein Erfordernis, nicht nur einen
fehlerhaft arbeitenden Netzknoten daran zu hindern, außerhalb
der ihm zugewiesenen Zeitfenster auf das Netz zuzugreifen, sondern
auch zu erkennen, dass der Knoten fehlerhaft arbeitet. Zu diesem
Zweck sind die Busmonitore von Netzknoten in bekannten Systemen
so konstruiert, dass in ihnen auch eine Fehlererkennungsfunktion
umgesetzt ist. Der Busmonitor vergleicht dabei das Auftreten einer Übertragungsanforderung
durch die Datenübertragungseinheit
mit der aktuellen Position in dem eigenen Zugriffsplan. Ein solcher
Knoten ist aus der
US 2003/067873 bekannt.
Wenn durch den Busmonitor festgestellt wird, dass eine Übertragungsanforderung
zu einem Zeitpunkt vorliegt, für den
der Zugriffszeitplan des zugewiesenen Netzknotens keine Übertragung
spezifiziert, teilt der Busmonitor diesen Fehlerzustand einer Steuereinheit
höherer
Ordnung mit. Zusätzlich
kann das System so konstruiert sein, dass der Zugriff des Netzknotens
auf das Netz auf der Übertragungsseite
als Folge einer durch den Busmonitor festgestellten Abweichung zwischen
den Zugriffszeitplänen
der Datenübertragungseinheit
und des Busmonitors blockiert wird.
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Unter
diesen Umständen
bieten sich einfach aus der Tatsache, dass die Datenübertragungseinheit
das Steuersignal, das eine Übertragungsanforderung
anzeigt, sowohl an den Bustreiber als auch den Busmonitor weiterleitet,
viele Schwachstellen für eine
mögliche
Beeinträchtigung
des Systemverhaltens, die durch den Einfluss von Fehlern entsteht.
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Für Überwachungszwecke
verwendet der Busmonitor das Steuersignal der Datenübertragungseinheit,
das auch an den Bustreiber weitergeleitet wird. Wenn der Busmonitor
fehlerhaft arbeitet, kann dieses Steuersignal selbst fehlerhaft
sein und eine fehlerhafte Übertragungsanforderung
kann durch den Busmonitor an den Bustreiber geleitet werden, was
zur Aktivierung des Bustreibers, d. h. zu Medienzugriff, führt.
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Ferner
muss im Fall eines Busmonitors, der selbst einen Teil der Fehlererkennung übernimmt, gewährleistet
sein, dass der Busmonitor seine Funktion immer erfüllt, oder
zumindest, dass ein Funktionsversagen erkannt wird.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Netzknoten der oben genannten
Art zu spezifizieren, in dem zusätzlich
zu Fehlerunterdrückung
auch Fehlererkennung so zuverlässig
wie möglich
stattfindet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe
der Merkmale nach Anspruch 1 erreicht:
Ein Netzknoten mit einer
Datenübertragungseinheit, die
für die
Umsetzung eines Datenübertragungsprotokolls
zum Zweck der Datenübertragung
an andere Netzknoten über
ein Datenübertragungsmedium
bereitgestellt wird, und mit einem Busmonitor, die dazu angepasst
sind, gegenseitig voneinander unabhängig
- – einen
in einem Konfigurationsdatensatz enthaltenen Zugriffszeitplan umzusetzen,
und
- – jeweils
gemäß dem Zugriffszeitplan
ein Freigabesignal für
einen im Netzknoten bereitgestellten Bustreiber verfügbar zu
machen, der angepasst ist, um diese beiden Signale auszuwerten,
und, im Fall, dass die beiden Freigabesignale nicht zusammenfallen,
den Zugriff des Netzknotens auf das Datenübertragungsmedium zu blockieren,
wobei
die Datenübertragungseinheit
angepasst ist, zusätzlich
ein Übertragungsanforderungssignal
an den Bustreiber einzugeben, in Abhängigkeit von dem der Bustreiber
angepasst ist, seine Übertragungsphase
zu beginnen, wenn keine Blockierung des Zugriffs auf das Datenübertragungsmedium
vorliegt.
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Im
erfindungsgemäßen Netzknoten
werden eine Datenübertragungseinheit,
ein Bustreiber und ein Busmonitor bereitgestellt. Die Datenübertragungseinheit
dient zum Umsetzen eines Datenübertragungsprotokolls,
gemäß dem die
Datenübertragung
an andere Netzknoten, die über
ein Datenübertragungsmedium
aneinander gekoppelt sind, möglich ist.
Der Busmonitor stellt eine unabhängige
Einheit dar, die ein zweites, den Zugriffszeitplan betreffendes Informationselement
verfügbar
macht. Zusätzlich
zu seiner Funktion als physische Netzverbindung bildet der Bustreiber
eine dritte Einheit für
die Übereinstimmungsprüfung zwischen
dem Zugriffsverhalten der Datenübertragungseinheit
und des Busmonitors.
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In
dem erfindungsgemäßen Netzknoten
sind die Datenübertragungseinheit
und der Busmonitor, die beide extern konfigurierbar sind, mit einem
Konfigurationsdatensatz geladen. Vom Konfigurationsdatensatz kann
unter anderem ein Zugriffszeitplan abgeleitet werden, der für den Netzknoten,
in dem die Datenübertragungseinheit
und der Busmonitor bereitgestellt sind, Zeitfenster spezifiziert,
in denen dieser Netzknoten auf das Datenübertragungsmedium zugreifen
kann. Während
der restlichen Zeit kann der Netzknoten nicht auf das Datenübertragungsmedium zugreifen,
d. h. nicht übertragen.
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Dieser
Mechanismus wird bereitgestellt, um zu gewährleisten, dass jeweils nur
ein Netzknoten zu einem bestimmen Zeitpunkt in einem Netz aktiv
ist, d. h. das Datenübertragungsmedium
mit einem Übertragungsvorgang
beschäftigt.
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Der
im Konfigurationsdatensatz enthaltene Zugriffsplan wird sowohl in
der Datenübertragungseinheit
als auch im Busmonitor unabhängig
voneinander umgesetzt. Im Gegensatz zu der nach dem Stand der Technik
bekannten Lösung
geben sowohl die Datenübertragungseinheit
als auch der Busmonitor unabhängig
voneinander ein Freigabesignal ein, das die Zeitpunkte anzeigt,
zu denen der Netzknoten, in dem die zwei Einheiten bereitgestellt
werden, gemäß dem Zugriffszeitplan
aktiv sein kann, d. h. übertragen
kann. Diese zwei Freigabesignale sind immer redundant, wodurch eine
zusätzliche
Fehlersicherheit erreicht wird.
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Die
Auswertung der zwei Freigabesignale wird im Bustreiber vorgenommen,
für den
diese zwei Signale verfügbar
gemacht werden. Der Bustreiber wertet beide Signale aus. Angenommen
der Netzknoten arbeitet korrekt, sollten die Freigabesignale immer
entweder beide aktiv oder beide inaktiv sein. In diesem Fall liegt
kein Fehlerzustand vor. Wenn die zwei Freigabesignale jedoch nicht
zusammenpassen, liegt ein Fehlerzustand vor. In diesem Fall blockiert
der Bustreiber den Zugriff des Netzknotens auf das Datenübertragungsmedium.
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Durch
diesen Entwurf des Netzknotens gemäß der Erfindung ist das Bauteil
im Netzknoten, nämlich
der Bustreiber, das auch die physische Kopplung des Netzknotens
mit dem Datenübertragungsmedium
vornimmt, auch an der Fehlererkennung beteiligt. Der erfindungsgemäße Netzknoten
erkennt folglich einen fehlerhaften Zugriff im Bustreiber, der die
Stelle im Netzknoten ist, an der im Fall eines Fehlers auch die
angemessenen Maßnahmen
eingeleitet werden müssen.
Dadurch ist gewährleistet, dass
im Fall eines Fehlers, auch wenn die Datenübertragungseinheit oder der
Busmonitor fehlerhaft arbeiten, die ursprüngliche Funktion von Fehlererkennung
und Behebung, d. h. das Blockieren jedes Zugriffs durch den Netzknoten
auf das Datenübertragungsmedium,
sichergestellt ist.
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Die
Datenübertragungseinheit
kann zusätzlich
zum oben beschriebenen Freigabesignal ein Übertragungsanforderungssignal
an den Bustreiber eingeben, das seine Übertragungsphase nur beginnt, wenn
keine Blockade als Folge der Auswertung der zwei Freigabesignale
vorliegt. Der Zugriff auf das Datenübertragungsmedium wird dadurch
tatsächlich nur
begonnen, wenn auch eine Übertragungsanforderung
durch die Datenübertragungseinheit
vorliegt. Eine Übertragungsanforderung
dieser Art kann jedoch nur zum Beginnen der Übertragungsphase führen, wenn
die Auswertung der zwei Freigabesignale keine Fehler aufgedeckt
hat.
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Die
zwei Freigabesignale können
vorteilhaft, wie gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung nach Anspruch 2 bereitgestellt, umgekehrt zueinander
kodiert werden. Hierdurch ist der Einfluss eines Gleichtaktfehlers
auf die Fehlererkennung unterdrückbar.
Die Freigabesignale werden ferner im Bustreiber auf die Übereinstimmung
der in ihnen enthaltenen Freigabeinformationen überprüft, wobei nun die spezielle
Kodierung zu beachten ist.
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Als
Folge der Umsetzung des Zugriffszeitplans in zwei verschiedenen
Einheiten können
kleine Zeitverschiebungen oder Schwankungen auftreten. Um Einflüsse dieser
Art während
der Fehlererkennung auszuschließen,
wird gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung nach Anspruch 3 ein Tiefpassfilter während der Auswertung der zwei
Freigabesignale verwendet, um kurzfristige Unterschiede zwischen
den zwei Freigabesignalen zu unterdrücken, so dass Unterschiede
dieser Art nicht zu Fehlererkennung führen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung nach den Ansprüchen
4 und 5 ist die Erkennung des im Bustreiber erzeugten Zustands nach außen signalisierbar,
zum Beispiel an eine Steuereinheit höherer Ordnung des fraglichen
Netzknotens. Eine nach außen
signalisierte Fehlerzustandserkennung dieser Art kann auch vorteilhaft
von außen
rücksetzbar
sein, um den Netzknoten wieder in Betrieb zu setzen.
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Der
oben beschriebene Netzknoten kann vorteilhaft in einem Netz bereitgestellt
werden, in dem mehrere Netzknoten über das Datenübertragungsmedium
aneinander Daten übertragen.
Dann wird ein individueller Zugriffszeitplan für jeden Netzknoten bereitgestellt,
so dass immer nur ein Netzknoten gleichzeitig aktiven Zugriff auf
das Datenübertragungsmedium
hat, d. h. fähig
ist zu übertragen.
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Ein
Netz dieser Art kann vorteilhaft so konstruiert sein, dass es mit
redundanten Netzkanälen ausgestattet
ist. In diesem Fall sind ein Busmonitor und ein Bustreiber jedem
Netzkanal in jedem Netzknoten zugewiesen, so dass die Fehlererkennung einzeln
für jeden Übertragungskanal
stattfinden kann.
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Die
Erfindung wird weiter beschrieben unter Bezugnahme auf Beispiele
von Ausführungsformen, die
in den Zeichnungen dargestellt werden, auf die die Erfindung jedoch
nicht beschränkt
ist.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Netzknotens.
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2 zeigt
ein Schaltbild eines Bustreibers eines Netzknotens, wie in 1 dargestellt.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Netzknotens 1 mit
einer Datenübertragungseinheit 2.
Zusätzlich
zu der Datenübertragungseinheit 2 wird
ein Busmonitor 3 bereitgestellt.
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Sowohl
die Datenübertragungseinheit 2 als auch
der Busmonitor 3 sind von außen mit Konfigurationsdatensätzen konfigurierbar.
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Bin
Bustreiber 4 wird ebenfalls bereitgestellt, durch den Zugriff
auf ein Datenübertragungsmedium 5 möglich ist. Über das
Datenübertragungsmedium 5 kann
der Netzknoten 1 mit anderen, in der Figur nicht dargestellten
Netzknoten gekoppelt werden.
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Die
Datenübertragungseinheit 2 wird
im Wesentlichen bereitgestellt, um ein Datenübertragungsprotokoll umzusetzen.
Bin Datenübertragungsprotokoll
dieser Art steuert die Natur der Datenübertragung des Netzknotens 1 an
andere Netzknoten über das Übertragungsmedium 5.
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In
einem Datenübertragungsprotokoll
dieser Art kann es zum Beispiel sein, dass für jeden Netzknoten nur spezielle
Zeitfenster bereitgestellt werden, in denen er auf das Datenübertragungsmedium 5 zugreifen
kann. Außerhalb
dieser Zeitfenster ist es dem Netzknoten nicht erlaubt, aktiv auf
das Datenübertragungsmedium 5 zuzugreifen,
d. h. außerhalb der
ihm gemäß dem Zugriffszeitplan
zugewiesenen Zeiten ist der Netzknoten nicht fähig, das Datenübertragungsmedium 5 mit
einem Übertragungsvorgang zu
beschäftigen.
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Dieser
Zugriffszeitplan ist in dem erfindungsgemäßen Netzknoten 1 in
einem Konfigurationsdatensatz enthalten, der extern sowohl an die
Datenübertragungseinheit 2 als
auch an den Busmonitor 3 gesendet wurde. Die Datenübertragungseinheit 2 und
der Busmonitor 3 setzen diesen Zugriffszeitplan unabhängig voneinander
um, d. h. sie stellen für
jeden aktuellen Moment fest, ob der Netzknoten 1 aktiv auf
das Datenübertragungsmedium 5 zugreifen
darf oder nicht. Sowohl die Datenübertragungseinheit 2 als
auch der Busmonitor 3 ge ben entsprechende Freigabesignale
an den Bustreiber 4 ein. Nur wenn diese Freigabesignale
zusammenpassen, ist gewährleistet,
dass der Netzknoten 1 fähig
ist, gemäß dem Zugriffszeitplan
auf das Datenübertragungsmedium 5 zuzugreifen.
Wenn andererseits die beiden Freigabesignale nicht identisch sind,
blockiert der Bustreiber 4 den Zugriff des Netzknotens
auf das Datenübertragungsmedium 5,
da in diesem Fall ein Fehler vorliegt. Ein Fehler dieser Art kann
verschiedene Ursachen haben; entscheidend für den Bustreiber ist, dass
nicht mehr gewährleistet
ist, dass die Datenübertragungseinheit 2 und
der unabhängige
Busmonitor 3 übereinstimmende
Freigabeinformationen eingeben.
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Da
der Bustreiber 4 die Einheit im Netzknoten 1 ist,
die direkt auf das Datenübertragungsmedium 5 zugreift,
ist durch diese Ausführungsform
des Netzknotens gewährleistet,
dass die Einheit, die direkten Zugriff auf das Datenübertragungsmedium 5 hat,
sowohl die Fehlererkennung vornimmt als auch im Fall eines Fehlers
den Zugriff blockiert. Weitere Fehlerquellen während der Fehlererkennung durch die
Datenübertragungseinheit
oder der Interaktion zwischen mehreren Einheiten sind dadurch ausgeschlossen.
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2 zeigt
als Ausführungsformbeispiel,
ein ausführliches
Schaltbild des Bustreibers 4 des Netzknotens 1,
wie in 1 dargestellt.
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Im
Busmonitor 4 ist, wie in 2 dargestellt, eine
Vergleichsphase 6 bereitgestellt, an die einerseits das
durch den in 2 nicht dargestellten Busmonitor 3 eingegebene
Freigabesignal BGEN gesendet wird. Ferner wird an die Vergleichsphase 6 das Freigabesignal
CCEN der Datenübertragungseinheit 2 gesendet,
wie in 1 dargestellt.
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Da
die Datenübertragungseinheit 2 und
der Busmonitor 3 des Netzknotens 1, wie in 1 dargestellt,
möglicherweise
mit kleinen Zeitverschiebungen arbeiten, oder weil möglicherweise
Schwankungen in ihren Freigabesignalen BGEN und CCEN auftreten können, kann
kurzfristig ein Fehler im Ausgabesignal der Vergleichsphase 6 signalisiert
werden, obwohl eigentlich kein Fehler vorliegt. Um Einflüsse dieser
Art durch Zeitverschiebungen oder Schwankungen auszuschließen, ist
ein Tiefpassfilter 7 der Vergleichsphase 6 nachgeschaltet
verbunden, der diese kurzfristigen irrtümlichen Fehlermeldungen unterdrückt. Der
Tiefpassfilter 7 kann bezüglich seiner Filterfunktion
vorteilhaft einstellbar konstruiert sein, um in der Lage zu sein,
eine Anpassung an verschiedene mögliche
Zeitverschiebungen oder Schwankungen vorzunehmen.
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Nachdem
es durch den Tiefpassfilter gefiltert wurde, kommt das Ausgabesignal
des Tiefpassfilters 7 bei einer Fehlerzustandsmaschine 8 an,
die im Wesentlichen eine bistabile Kippschaltung umfasst, die zwei
invertierende AND-Glieder 12 und 13 umfasst (bekannt
als asynchrone RS-Kippschaltung). Das tiefpassgefilterte Ausgabesignal
des Tiefpassfilters 7 wird in den „Set"-Eingang (S_INV) der Kippschaltung eingegeben.
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Wenn
Zustände,
die einen Fehler signalisieren, im Ausgabesignal des Tiefpassfilter 7 auftreten, ist
die Fehlerzustandsmaschine 8, oder insbesondere die in
ihr bereitgestellte Kippschaltung, gesetzt.
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Bezogen
auf die Folgen für
die Fehlerzustandsmaschine 8 ist das durch die Vergleichsphase 6 des
Bustreibers 4, wie in 2 dargestellt,
eingegebene Ausgabesignal immer inaktiv (logischer Zustand „1"), wenn diese zwei
Signale identisch sind. In diesem Fall gibt es keinen Fehler. Wenn
eine Abweichung zwischen den zwei Signalen BGEN und CCEN festgestellt
wird, wird das Ausgabesignal der Vergleichsphase 6, bezogen
auf die Folgen für
die Fehlerzustandsmaschine 8, aktiviert (logischer Zustand „0"), d. h. es signalisiert
einen Fehler.
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Für dieses
Ausführungsformbeispiel
wird angenommen, dass der Anfangszustand (Grundzustand) der Fehlerzustandsmaschine 8 so
ist, dass ein logischer Zustand „1" am Ausgang Q_INV vorliegt, d. h. es
wurde kein Fehler erkannt. In einer realen Schaltungsumsetzung muss
dies für
eine asynchrone Kippschaltung durch angemessene Aktivierung der
Rücksetzeingabe
(R_INV) gewährleistet
werden, die in 2 nicht dargestellt ist.
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In
dem in 2 dargestellten Ausführungsformbeispiel wird die
invertierte Ausgabe Q_INV der Fehlerzustandsmaschine 8 ausgewertet
und an einen Eingang eines AND-Glieds 9 gesendet. An den anderen
Eingang des AND-Glieds 9 wird ein durch die Datenübertragungseinheit 2 des
Netzknotens, wie in 1 dargestellt, eingegebenes Übertragungsanforderungssignal
TXEN gesendet. Da das Ausgabesignal der Fehlerzustandsmaschine 8 invertiert
ist, hat dieses Signal einen hohen (Logik „1") Zustand im fehlerfreien Zustand, d.
h. das Übertragungsanforderungssignal
TXEN erreicht den Ausgang des AND-Glieds 9. Wenn andererseits
ein Fehlerfall vorliegt, hat das Ausgabesignal der Fehlerzustandsmaschine 8 einen
niedrigen (Logik „0") Zustand, so dass
alle auftretenden Übertragungsanforderungssignale
unterdrückt
werden.
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Als
Folge tritt ein Aktivierungszustand (Logik „1") an der Ausgabe des AND-Glieds 9 nur
auf, wenn einerseits kein Fehler vorliegt, aber andererseits das Übertragungsanforderungssignal
TXEN signalisiert, dass eine Übertragung
stattfinden soll. Dieses Signal kommt an einer Steuereingabe 11 eines Übertragungsverstärkers 10 an.
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An
den Übertragungsverstärker 10 auf
der Eingabeseite wird ein Datensignal TXD gesendet, das übertragen
werden soll. Zu diesem Zweck ist der Übertragungsverstärker für die Differentialleitungsübertragung
zum Beispiel mit einer nicht invertierenden und einer invertierenden
Ausgabe ausgestattet, die mit zwei Leitungen des Datenübertragungsmediums 5 gekoppelt
sind.
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Auf
der Grundlage der oben beschriebenen Zusammenhänge kann daher eine Übertragung
von Daten durch den Übertragungsverstärker 10 nur stattfinden,
wenn kein Fehler vorliegt und andererseits eine Übertragungsanforderung durch
die Datenübertragungseinheit 2 gegeben
wird.
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Infolge
der Konstruktion des Netzknotens einerseits und der Fehlerauswertung
im Bustreiber 4 des Netzknotens 1 andererseits
wird erreicht, dass in der speziellen Einheit des Netzknotens 1,
mit deren Hilfe der aktive Zugriff auf das Datenübertragungsmedium stattfindet,
nämlich
im Bustreiber 4, auch Fehlererkennung stattfindet. Daher
findet direkt in dieser Einheit die Fehlererkennung und die Maßnahme zur
Unterdrückung
weiterer Fehlerverbreitung statt. Zusätzlich wird infolge der unabhängigen Umsetzung
des Zugriffszeitplans in der Datenübertragungseinheit 2 und
dem Busmonitor 3 eine Redundanz bei der Auswertung erreicht.